Topologías para la distribución de contenidos en redes de comunicación

Abstract

The peer-to-peer (P2P) overlay networks are distribution topologies that take advantage of the ability that their nodes have to forward the information that they receive. For the particular case of video transmission using P2P networks, known as streaming P2P, there are implementations based on BitTorrent protocol data dissemination for files downloading. These networks use a pseudorandom topology which makes difficult to determine both the size of the network -defined as the maximum number of nodes which can receive information with a given quality of service- and the distribution delay. Despite this lack of definition, in the current thesis we present a structured network in which the nodes establish both incoming and outgoing connections according to a deterministic joining algorithm. That topology allows to calculate exactly the number of nodes that may join the network and that in stable conditions may get the flow with guaranteed quality of service, and also one very fitted bound for the total distribution delay. In our case, we have defined networks which contain a single source node with a bandwidth weater than the bandwidth of the information flow, and also a set of nodes with a bandwidth lower than the bandwidth of the flow. This constraint is used to distinguish the high capacity nodes from the terminal nodes which either have physical limitations due to their access link bandwidth or do not consider to allocate all their bandwidth to the forwarding of the information flow. In fact, high capacity nodes can be considered sources either because they produce the flow physically or because, receiving it from another distribution network, they forward it as source to the low bandwidth nodes that belong to the P2P network. Once the distribution topology is described, we define the mathematical model for its analysis. With this purpose, we normalize the flow bandwidth and we define a network joining algorithm with the aim of optimizing distribution delay. Following, the network topology is characterized by means of three parameters: the number of nodes that can be served directly by the source, the number of download connections that must arrive to a node to guarantee the reception at unitary rate, and the maximum number of upload connections that a node can establish. Likewise, the information flow is segmented into generic information units called objects, which are transmitted into the network by means of a certain set of dissemination trees. The number of dissemination trees corresponds to the number of download connections of a node. With this background material, we calculate the maximum number of peers which can be connected, under stable conditions, to the network, and also a very fitted bound for the transmission delay. Besides, we present a simulation that allows to evaluate the performance of the described topology in the field of VANET networks. Finally, in the last chapter we present a proposal for application-layer multicast distribution network which can be used to send the information flow from the node that initially produces it to the source nodes of the P2P distribution network that we have described.

Las redes superpuestas peer-to-peer (P2P) son topologías de distribución que aprovechan la capacidad que tienen sus nodos de retransmitir a otros nodos la información que reciben. En el caso particular de la transmisión de vídeo mediante redes P2P, conocida como streaming P2P, existen implementaciones basadas en la diseminación de datos del protocolo BitTorrent de descarga de ficheros. Estas redes emplean una topología pseudoaletoria que hace difícilmente caracterizable tanto el tamaño que puede tener la red -entendido como el máximo número de nodos a los que se puede garantizar una calidad de servicio determinada- como el retardo de distribución. Frente a esta falta de definición, en el presente trabajo se presenta una red estructurada en la que los nodos establecen conexiones tanto de recepción como de retransmisión según un algoritmo de ingreso determinista. Dicha topología permite calcular exactamente el número máximo de nodos que pueden formar la red y que, en condiciones de estabilidad, reciben el flujo con garantías de calidad, así como una cota muy ajustada del retardo total de distribución. En nuestro caso, hemos definido redes formadas por un único nodo fuente con una capacidad mayor que el ancho de banda de la transmisión del flujo, así como por una serie de nodos cuya capacidad es inferior al ancho de banda de dicho flujo. Esta restricción sirve para separar los nodos de alta capacidad de los nodos terminales que o bien tienen limitaciones físicas debido a la capacidad de su enlace o bien no quieren destinar toda su capacidad a la retransmisión del flujo de información. De hecho, los nodos de alta capacidad pueden considerarse fuentes o bien porque generan físicamente el flujo o bien porque, recibiéndolo a través de otra red de distribución, lo retransmiten como fuente a los nodos de baja capacidad que conforman la red P2P. Una vez descrita la topología de distribución, se define el modelo matemático para su análisis. Para ello se normaliza el ancho de banda del flujo y se propone un algoritmo de ingreso de nodos en la red con el objeto de optimizar el retardo de distribución. A continuación, se caracteriza la topología de la red mediante tres parámetros: el número de nodos a los que puede servir el nodo fuente, el número de conexiones de descarga que deben llegar a un nodo para recibir el flujo a tasa unitaria y el número máximo de conexiones de subida que puede establecer un nodo. Asimismo, se segmenta el flujo de información en unidades genéricas, denominadas objetos, que se diseminan en la red a través de un determinado conjunto de árboles de difusión. El número de árboles de difusión se corresponde con el número de conexiones de descarga de los nodos. Todo esto permite obtener una expresión del número de nodos que, en condiciones de estabilidad, pueden conectarse a la red, así como una cota muy ajustada del retardo total de transmisión. Presentamos además una simulación que permite evaluar el rendimiento de la topología descrita en el entorno de redes VANET. De forma complementaria, en el último capítulo se presenta una propuesta de distribución multicast en la capa de aplicación que puede emplearse para transmitir el flujo de información desde el nodo que lo produce inicialmente hasta los nodos fuentes de las redes P2P de distribución.